1、半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理1本章內容本章內容 理想的理想的MOS電容器電容器 SiO2-Si MOS電容器電容器 MOSFET基本原理基本原理第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理2研究半導體表面特性，研究半導體表面特性，MOS電容器用電容器用作存儲電容并且是電荷耦合器件（作存儲電容并且是電荷耦合器件（CCD）的基本結構單元。）的基本結構單元。 圖圖(a)為為MOS電容器的透視結構，電容器的透視結構，V為施加于金屬板上的電壓。為施加于金屬板上的電壓。 圖圖(b)為剖面結構，為剖面結構，d為氧化層厚度。為氧化

2、層厚度。 金屬板相對于歐姆接觸為正偏壓時金屬板相對于歐姆接觸為正偏壓時，V為正值為正值；金屬板相對于歐姆接觸金屬板相對于歐姆接觸為負偏壓時，為負偏壓時，V為負值為負值。5.1 理想的理想的MOS電容器電容器半導體金屬絕緣體V半導體金屬絕緣體V二極管的透視圖MOS)(aAld0 x歐姆接觸2SiOAld0 x歐姆接觸2SiO二極管的剖面圖MOS)b(圖 5. 1(a)MOS二極管的透視圖二極管的透視圖半導體金屬絕緣體V半導體金屬絕緣體V二極管的透視圖MOS)(aAld0 x歐姆接觸2SiOAld0 x歐姆接觸2SiO二極管的剖面圖MOS)b(圖 5. 1(b)MOS二極管的剖面圖二極管的剖面圖第

3、第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理3右圖為右圖為V=0時理想時理想p型半導體型半導體MOS電容器的能帶圖。電容器的能帶圖。q m、q s：金屬、半導體功函數，費米能級與真空能級之間的能量差；金屬、半導體功函數，費米能級與真空能級之間的能量差；q：電子親和勢，半導體中導帶邊與真空能級的差值；：電子親和勢，半導體中導帶邊與真空能級的差值；qi：氧化：氧化層電子親和勢；層電子親和勢；q B：金屬與氧化層的勢壘；：金屬與氧化層的勢壘；qB：費米能級：費米能級EF與本征費米能級與本征費米能級Ei的差值。的差值。理想理想MOS電容器定義為：電容器

4、定義為：零偏壓零偏壓，q ms為零，即能帶是平為零，即能帶是平坦的（稱為坦的（稱為平帶條件平帶條件）。）。20msmsmgBqqqqqEq任意偏壓任意偏壓，電容器中的電荷僅為半導體內電荷電容器中的電荷僅為半導體內電荷以及以及鄰近氧化鄰近氧化層的金屬表面電荷量層的金屬表面電荷量，它們大小相等、但極性相反；，它們大小相等、但極性相反；直流偏壓直流偏壓，無載流子輸運通過氧化層，無載流子輸運通過氧化層，氧化層電阻為無窮大氧化層電阻為無窮大。第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理4半導體表面向上彎曲的能帶使半導體表面向上彎曲的能帶使Ei-EF的能

5、級的能級差變大，進而提高了氧化層與半導體界面處差變大，進而提高了氧化層與半導體界面處的空穴濃度（或空穴堆積），稱為的空穴濃度（或空穴堆積），稱為積累積累。理想理想MOS電容器偏壓為正或負時，半導體表面出現三種狀況：電容器偏壓為正或負時，半導體表面出現三種狀況：（1）p型半導體型半導體，施加，施加負電壓負電壓，SiO2-Si界面處誘導界面處誘導過剩的空穴過剩的空穴，半導體表面附近的半導體表面附近的能帶向上彎曲能帶向上彎曲。理想的理想的MOS電容器，不論外加電壓多大，器件內部無電流流動電容器，不論外加電壓多大，器件內部無電流流動，所以所以半導體內的費米能級將維持恒定半導體內的費米能級將維持恒定。半

6、導體內的載流子濃度與能級差的關系：半導體內的載流子濃度與能級差的關系：expiFpiEEpnkTFECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c0VFEVEiECE

7、FEix00mQxWqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c0VFEVEiECEFEi

8、x00mQxWqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理5（2）外加）外加一小正電壓一小正電壓，靠近半導體表面的，靠近半導體表面的能帶將向下彎曲能帶將向下彎曲，EF=Ei，多子空穴被耗盡，稱為，多子空穴被耗盡，稱為耗盡耗盡。半導體內單位面積的空間。半導體內單位面積的空間電荷電荷Qsc為為-qNAW，其中，其中W為表面耗盡區的寬度。為表面耗盡區的寬度。（3）外加一）外加一更大的正電壓更大的正電壓，能帶向下彎曲更多能帶向下彎曲更多，使得，使得表面的表面的Ei穿過穿過EF。Si

9、O2-Si界面處誘導過剩的負載流界面處誘導過剩的負載流子電子。半導體中電子的子電子。半導體中電子的濃度與能級差的關系：濃度與能級差的關系：expFipiEEnnkT由于由于EF-Ei0，因此半導體表面處的電子濃度，因此半導體表面處的電子濃度npni，而空穴濃，而空穴濃度度ni，表面的電子數目大于空穴，表面呈現反型，稱為，表面的電子數目大于空穴，表面呈現反型，稱為反型反型。FECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布FECEiE

10、FEVE0V0 xSQmQ積累時)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理6 起初，因電子濃度較小，表面處于起初，因電子濃度較小，表面處于弱反型狀態，當能帶持續彎曲，最弱反型狀態，當能帶持續彎曲，最終使得終使得

11、EC接近接近EF。 當靠近當靠近SiO-Si界面的電子濃度等于襯界面的電子濃度等于襯底摻雜水平時，開始發生底摻雜水平時，開始發生強反型強反型。 之后，絕大部分半導體中額外的負之后，絕大部分半導體中額外的負電荷由電子電荷電荷由電子電荷Qn組成，它們位于組成，它們位于很窄的很窄的n型反型層（型反型層（0 xxi）中）中如右如右下圖下圖，其中，其中xi為反型層厚度。為反型層厚度。xi典型典型值為值為110nm，遠小于表面耗盡層的，遠小于表面耗盡層的寬度。寬度。FECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQx

12、WqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqN

13、AnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ積累時)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗盡時)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型時)(c圖 5. 3理想 MOS二極管的能帶圖及電荷分布第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理7下圖為下圖為p型半導體表面更為詳細的能帶圖。型半導體表面

14、更為詳細的能帶圖。半導體體內的靜電半導體體內的靜電勢勢定義為零定義為零，在半導體表面，在半導體表面=s，s稱為稱為表面勢表面勢。將電子與。將電子與空穴的濃度表示為空穴的濃度表示為的函數：的函數：當能帶向下彎曲時，當能帶向下彎曲時，為正值。為正值。表面載流子密度為表面載流子密度為expBpiq nnkTexpBpiqpnkTexpsBsiq nnkTexpBssiq pnkT一、表面耗盡區一、表面耗盡區第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFETFEVEiECE半導體表面gEBqqS0qSx半導體氧化層半導體表面x半導體氧化層半導體器件物理半導體器件物理8根據以上的討論，

15、表面勢可以分為以下情形：根據以上的討論，表面勢可以分為以下情形： ss0：空穴耗盡（能帶向下彎曲）；：空穴耗盡（能帶向下彎曲）； s=B：帶中情況，滿足：帶中情況，滿足ns=np=ni（本征濃度）；（本征濃度）； sB：反型（能帶向下彎曲超過費米能級）。：反型（能帶向下彎曲超過費米能級）。仿照單邊仿照單邊n+-p結空間電荷區結論，表面勢結空間電荷區結論，表面勢s為為22ASsqN W其中其中NA為半導體摻雜濃度，為半導體摻雜濃度，W為半導體耗盡區寬度，為半導體耗盡區寬度，s為半導體介電為半導體介電常數。常數。第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導

16、體器件物理9表面電子濃度等于襯底雜質濃度是一個簡單的判據，即表面電子濃度等于襯底雜質濃度是一個簡單的判據，即ns=NA。因為因為 ，由，由上式表明需要一個電勢上式表明需要一個電勢B將能帶彎曲至表面本征的條件將能帶彎曲至表面本征的條件（Ei=EF）；接著能帶還需要再彎曲一個）；接著能帶還需要再彎曲一個qB，以使表面達到強，以使表面達到強反型的狀態。反型的狀態。kTqnNBiAexp可得可得22lnAsBiNkTinvqn當當sB，表面發生反型表面發生反型。需要一個。需要一個判據判據來判斷強反型的起點。來判斷強反型的起點。在此之后則反型層中的電荷變得相當顯著。在此之后則反型層中的電荷變得相當顯著。

17、第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFETFEVEiECE半導體表面gEBqqS0qSx半導體氧化層半導體表面x半導體氧化層22ASsqN W半導體器件物理半導體器件物理10或或22ln2ln2AsBiNkTinvqnsAimAkTNnWq N當表面為強反型時，當表面為強反型時，表面耗盡區寬度達到最大值表面耗盡區寬度達到最大值。于是，當。于是，當s等于等于s(inv)，可得到表面耗盡區的最大寬度，可得到表面耗盡區的最大寬度Wm。22222sssBAsmsAAinvqN WWqNqN且且22scAmsABQqN WqN 第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOS

18、FETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理其中其中Eo為氧化層中的電場為氧化層中的電場，Qs為半導體中為半導體中單位面積的電荷單位面積的電荷，Co=ox/d為單位面積的氧為單位面積的氧化層電容化層電容，相應的靜電勢分布如圖，相應的靜電勢分布如圖(d)所示。所示。二、理想二、理想MOS曲線曲線圖圖(a)為一理想為一理想MOS電容器的能帶圖，電電容器的能帶圖，電荷的分布情形如圖荷的分布情形如圖(b)所示。所示。沒有功函數差時，外加的電壓部分降落沒有功函數差時，外加的電壓部分降落于氧化層、部分降落于半導體，因此于氧化層、部分降落于半導體，因此其中其中Vo為氧化層的電壓降為氧化層的電壓降，由圖，由

19、圖(c)可得可得osVVssoooxoQ dQVE dCFEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFE二極管的能帶圖理想MOS)(aFEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFEFEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFE二極管的能帶圖理想MOS)(a)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型時的電荷分布情形)(b)(sxdMQnQsQ0WxAqN)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型時的電荷分布情形)(bd0Wx)(xEooxSEQ電場分布)(cd0Wx)(xEooxSEQd0Wx)(xEooxSEQooxSEQ電場分布)(cd0WxVoVS)(x電勢

20、分布)(dd0WxVoVS)(xd0WxVoVS)(x電勢分布)(d圖 5. 6圖圖(a)FEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFE二極管的能帶圖理想MOS)(aFEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFEFEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFE二極管的能帶圖理想MOS)(a)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型時的電荷分布情形)(b)(sxdMQnQsQ0WxAqN)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型時的電荷分布情形)(bd0Wx)(xEooxSEQ電場分布)(cd0Wx)(xEooxSEQd0Wx)(xEooxSEQooxSEQ電場分

21、布)(cd0WxVoVS)(x電勢分布)(dd0WxVoVS)(xd0WxVoVS)(x電勢分布)(d圖 5. 6圖圖(b)FEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFE二極管的能帶圖理想MOS)(aFEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFEFEVEiECEoqV0VsqBq中性區耗盡區反型區ixFE二極管的能帶圖理想MOS)(a)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型時的電荷分布情形)(b)(sxdMQnQsQ0WxAqN)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型時的電荷分布情形)(bd0Wx)(xEooxSEQ電場分布)(cd0Wx)(xEooxSEQd0Wx)(

22、xEooxSEQooxSEQ電場分布)(cd0WxVoVS)(x電勢分布)(dd0WxVoVS)(xd0WxVoVS)(x電勢分布)(d圖 5. 6圖圖(c)圖圖(d)11第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理由上式和由上式和MOS電容器的總電容電容器的總電容C為為氧化層電容氧化層電容Co與半導體中的與半導體中的耗盡層電耗盡層電容容Cj的的串聯串聯，如左圖所示。，如左圖所示。其中其中Cj=s/W，如同突變，如同突變p-n結一樣。結一樣。 2ojojC CCF cmCCTVoCminCVdoCjC0TVoCminCTVoCminCVdoC

23、jCVdoCjCdoCjC0VV /插圖為串聯的電容器部分圖，虛線顯示其近似高頻VCMOS(a)VV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200dVV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200d圖的頻率效應VCb)(圖 5.7可消去可消去W，得到電容的公式：，得到電容的公式：sAsWqN22222121ooxAsCF cmCVqNdosVVssoooxoQ dQVE

24、dC12第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理 強反型發生強反型發生時，耗盡區寬度將不再隨偏壓的增加而增加，該時，耗盡區寬度將不再隨偏壓的增加而增加，該情況發生于金屬極板電壓使表面勢情況發生于金屬極板電壓使表面勢s達到達到s(inv)時，將時，將s(inv)代入代入V=Vo+s，注意單位面積的電荷為，注意單位面積的電荷為qNAWm，可得，可得強反型剛發生時的金屬板電壓，稱為閾值電壓強反型剛發生時的金屬板電壓，稱為閾值電壓： 表面開始耗盡表面開始耗盡時，電容將隨著金屬極板上電壓的增加而下降。時，電容將隨著金屬極板上電壓的增加而下降。 外加

25、電壓為負外加電壓為負時，無耗盡區，在半導體表面得到積累的空穴，時，無耗盡區，在半導體表面得到積累的空穴，因此，總電容將很接近氧化層電容因此，總電容將很接近氧化層電容ox/d。222sABSAmTSSBoooqNQqN WVinvinvCCC222121ooxAsCF cmCVqNd13第第5 5章章 MOSMOS電容器及電容器及MOSFETMOSFET半導體器件物理半導體器件物理一理想一理想MOS電容器的典型電容電容器的典型電容-電電壓特性如右圖所示，包含耗盡近似壓特性如右圖所示，包含耗盡近似與精確計算值（實線）。注意兩者與精確計算值（實線）。注意兩者相當接近。相當接近。一旦強反型發生，總電容

26、將保持在最小值，此時有一旦強反型發生，總電容將保持在最小值，此時有Cj=s/WmmsoxoxWdCminTVoCminCVdoCjC0TVoCminCTVoCminCVdoCjCVdoCjCdoCjC0VV /插圖為串聯的電容器部分圖，虛線顯示其近似高頻VCMOS(a)VV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200dVV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200d圖的頻率效應VCb)(圖 5.7對對n型襯底型襯底，所有的結論，只要適當變更相應的正負符號和記，所有的結論，只要適當變更相應的正負符號和記號（如將號（如將Qp換成換成Qn），都同樣適用。其電容），都同樣